（1）风力发电机原理概述

风力发电机的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能，并送到电网中。

风力发电机风轮叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。定桨距风轮在风轮转速恒定的情况下，风速增加超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于失速状态，输出功率降低，发电机不会因超负荷而烧毁。定桨距风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率可稳定地保持在额定功率上，特别是在大风情况下，风力机处于顺桨状态，是桨叶和整机的受力状况大为改善。

     风力发电机利用电磁感应原理将风轮传来的机械能转换成电能。风力发电机分为异步发电机和同步发电机两种，风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机。异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速很小的范围内变化。当风速增加，式齿轮箱高速输出的轴转速达到达到异步发电机同步转速时，风力发电机并入电网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略微升高，增加输出功率。达到额定风俗之后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不在增大。反之，风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后脱开电网。对于定桨距风力发电机，一般还采用单绕组双速异步发电机，如从4级1500r/min变为6级1000r/min。但是这种发电机仍然可以看做是基本上恒定转速的，这一方案不仅解决了低功率时电机的效率问题，而且改善了低风速时的叶尖速比，提高了风能利用系数并降低了运行时的噪声，由于同样考虑，一些变桨距风力发电机也使用双速发电机。

普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，但风轮转速固定后效率较低，而且在交变的风速作用下，承受较大载荷。为了克服这些不足之处，相继开发了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。

同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电机中极少使用，另一种是交---直---交并网。几年来，由于大功率电子元器件的快速发展，变速恒频风力发电机的到了迅速的发展，同步发电机在风力发电机中得到了广泛的应用。为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电机采用风轮直接驱动同步多级发电机，又称无齿轮箱风力发电机，其发电机转速与风轮相同而随着风速变化，风轮可以转换更多的风能，所承受的载荷稳定，减轻部件的重量。缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求高，且需要交流装置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。

控制系统包括控制和检监测两部分，控制部分又分为自动和手动。运行维护人员可到现场根据需要进行手动控制，自动控制是在无人值守的条件下自动实施的自动控制系统，保证风力发电机正常安全的运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在风力发电机控制器的显示屏上可以查询，也要送到风力发电厂中央控制室的计算机系统，通过网络或电信系统，现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。安全系统要保证机组在发生非正常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。关键部分采取了失效---保护的原则，一旦发生某些部件失灵或电网掉电，保护装置会立即启动制动风轮，防止事故进一步扩大。

(2)定桨距风力发电机

并网型风力发电机从20世纪80年代中期开始逐步实现了商品化，产业化。经过近20年的发展，容量已从数十千瓦增大到兆瓦级。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已逐步采变桨距技术和变速恒频技术，但增加了控制系统与伺服系统的复杂性，也对也对风力发电机的成本和可靠性提出了挑战。因此，定桨距风力发电机结构简单，性能可靠的优点是始终存在的，中、小型风力发电机仍将以定桨距失速型为主导机型。

 定桨距风力发电机的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，激荡等速变化时，桨叶的迎风角度是不能随之变化，这一特点将给定桨距风力发电机提出了两个必须解决的问题。

一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有的材料的物理性能都是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。

二是运行中的风力发电机在突然失去电网（突甩负荷）的情况下，桨叶必须具备制动能力，使风力发电机能够在大风情况下能安全停机。

早期的定桨距风力发电机风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动。这对于数千瓦级的风力发电机来说问题大，但是对于大型风力发电机，如果只能使用机械刹车，就会对整个机组结构产生严重的影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机在大风时的功率控制问题。20世纪80年代又将叶尖扰流器成功的应用到了风力发电机上，解决了突甩负荷时的情况下的安全停机问题，使定桨距（失速型）风力发电机在近20年的风能开发利用中始终占据主导位置，直到最近推出的兆瓦级风力发电机，仍有机型采用该项技术。

（3）变桨距风力发电机

变桨距风力发电机是指整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围（一般为0--90度）内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。在风力发电机出现故障时，需要紧急停机，一般应使叶片顺桨，这样风力发电机结构受力小，可以保证风力发电机运行的安全可靠性。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头重量比失速风力发电机少，不需很大的制动力，启动性能好，在地空气密度地区仍可达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可保证相对稳定，保证较高的发电量。但由于增加了一套变桨结构。增加了故障发生的几率，而且处理变桨距结构叶片轴承故障难度大。变桨距机组比较适于高原空气密度低的地区运行，避免了当失速机安装确定后有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较显著。从风力发电机的发展趋势来看，在大，中型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

变桨距风力发电机组和定桨距风力发电机组相比，具有以下特点：

1）平稳的输出功率特性  变桨距风力发电机组的功率调节不是完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片距角置于0度附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨结构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率控制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组的容量增大，大型风力发电机组的单个叶片重量已达数吨。操纵如此大的惯性体，并且相应速度要能跟上风速的变化上相当困难的。事实上，如果没有其他措施，变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速变化仍然是比较困难的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，可以对桨叶进行节距调节外，还通过控制发电机转子的电流来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围之内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，是输出的功率更加平稳。

2）在额定点具有较高的风能利用系数   变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数高，当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点的功率控制问题，可以使得在额定功率点仍然具有较高的功率系数。

3）确保高风速段的额定功率    由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响，无论是由于温度变化还是海拔引起的空气密度变化，变桨距系统都能够通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。

4）启动性能与制动性能更好    变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的启动力矩，从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易启动。在变桨距风力发电机组上，一般不再涉及电动机启动的程序。

    当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片，使之减小功率，在发电机与电网断开值钱，功率减小至0。这意味着当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。